Situation scientifique

L'arrivée des lasers à électrons libres émettant dans la gamme spectrale des rayons X (X-FEL, acronyme pour l'expression anglaise "X-ray Free Electron Laser") révolutionnera la recherche expérimentale, d’une manière potentiellement équivalente à ce qu’il s’est passé il y a environ 50 ans avec l'apparition des lasers optiques.

Les X-FELs étant les premières sources capables de combiner les propriétés uniques des lasers avec celles du rayonnement X, meubleront le vide actuel entre les lasers optiques et les sources synchrotrons. Cela affectera des communautés scientifiques diverses allant, par exemple, de la physique des plasmas, de la phase diluée ou condensée, à la chimie et à la biologie.

Des expériences clés discutées aujourd'hui touchent, pour ne donner que quelques exemples :

• la structure atomique des nanoparticules organiques et inorganiques (physique de la matière condensée, biologie),
• l'étude « en directe » des processus chimiques, de la formation ou de l'évolution des liaisons électroniques (femto-chimie, biologie, catalyse, physique de la phase diluée),
• les phénomènes multi-photoniques en couches électroniques internes (physique fondamentale, astrophysique),
• la dynamique de charges et spins dans des matériaux fortement corrélés et magnétiques par « filmer » leur évolution temporelle (physique de la matière condensée),
• l'accès aux dynamiques non-reproductibles sur les échelles d'espace et de temps nanométrique et femtoseconde par l'imagerie instantanée avec un seul flash de rayons X (physique de la matière condensée, femto-chimie, biologie).
• Et celles-ci ne sont qu'une partie des applications imaginables aujourd'hui – les meilleures applications restant probablement encore à découvrir.

En 2010, il y aura trois lasers à électrons libres opérationnels émettant des rayons XUV ou X :

• FLASH en Allemagne
  le premier FEL mondial émettant dans la gamme spectrale du XUV (20 eV à 200 eV pour la première harmonique) est ouvert aux utilisateurs depuis 2005,
• SCSS au Japon
  opérationnel depuis 2006 autour de 25 eV (49 nm),
• LCLS au Etats Unis
  qui sera le premier FEL au monde dédié à l'émission des rayons X, c'est-à-dire la première harmonique couvrira la gamme spectrale de 800 eV à 8000 eV.

De plus, trois sources X-FEL sont en développement : Le « European X-FEL » en Allemagne, le X-FEL à Spring-8 au Japon et le « PSI X-FEL » en Suisse.

Conséquences attendues

L'objectif de cette école est d'informer et de former la communauté scientifique française intéressée à utiliser les X-FELs pour mener des recherches innovantes. La réalisation d'une expérience sur les FELs sera pour tous les chercheurs, aussi bien ceux avec une expérience « rayonnement synchrotron » ou avec les « laser optique », une nouveauté en raison de la combinaison des propriétés uniques d'un X-FEL: des impulsions d'une très courte durée de quelques femtosecondes, un très grand nombre de photons par impulsion (supérieur à 10¹²), une énergie de photon importante et leur taux de répétition (de quelques Hz à quelques kHz). Les uniques possibilités expérimentales ouvertes par ces caractéristiques impressionnantes, mais aussi les difficultés techniques correspondantes, seront discutées par les intervenants d’origines scientifiques diverses. L'aspect « scientifique » sera complété par des présentations sur des sources X-FELs qui incluront aussi des informations administratives liées à l'accès aux sources étrangères, aux collaborations utiles et nécessaires et aux soutiens financiers existants pour la préparation et la réalisation d'une expérience.
Un autre but important de cette école sera de donner aux participants une revue sur des activités liées aux X-FELs déjà existantes en France pour faciliter la formation des groupes de chercheurs français ayant un intérêt scientifique commun.

Sources images : hasylab.desy.de et adams-institute.ac.uk